轉(zhuǎn)自：中國照明網(wǎng)、極智頭條

當前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，對產(chǎn)業(yè)及企業(yè)造成了一定程度的影響，也牽動著各行各業(yè)人們的心。在此形勢下，在國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟指導下，開啟疫情期間知識分享，幫助企業(yè)解答疑惑。助力我們LED照明企業(yè)和產(chǎn)業(yè)共克時艱!

本期，我們邀請到中國科學院半導體所研究員、山西中科潞安紫外光電科技有限公司副總經(jīng)理閆建昌，帶來了關于“疫情防控與深紫外LED技術(shù)”的精彩主題分享，以下為文字實錄：

非常感謝國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟邀請我來做這個分享報告。新型冠狀病毒來勢兇猛，對我們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)等各方面造成了很大的沖擊影響。我本人的專業(yè)領域是紫外LED的外延材料和芯片，因為一直從事這方面的工作，借此機會，分享一下個人的思考和認識，希望能對大家有所幫助。

一、新冠病毒防控，紫外殺菌消毒被認可

目前情況來看，不管是確診還是疑似病例，影響的人非常多。新型冠狀病毒的防控，包括治療方面，取得了很大進展。從防控的角度，各方面專家都給了很多的意見，控制病毒的傳播，采用各種方式消滅病毒。

從官方給大家提供的殺菌消毒的方式里，可以了解到很多有效的方法。包括直接高溫殺毒，用75%比例的酒精等。此外，紫外線殺菌消毒也是明確被認可的，紫外殺菌消毒從原理上來說沒有問題，但是需要注意兩點，能夠起到殺滅冠狀病毒或者殺菌消毒作用的紫外線，首先需要紫外線的波長合適，叫做適宜的波段。同時也需要紫外線的能量要足夠，也就是紫外線的劑量要足夠。

從第五版新型冠狀病毒的診療方案中，我們可以看到，使用強度大于每平方厘米90微瓦的紫外線照射光照密度30分鐘可以殺滅SARS病毒，而新型冠狀病毒與SARS病毒有很多的相似性。同屬于單股正鏈RNA病毒，所以理論上科學合理使用紫外線，可以有效滅活冠狀病毒。但要注意，這里紫外線需要達到一定的強度，而且需要達到一定的時間。實際上，如果說照射的強度很大的話，時間也可以大大縮短。

紫外殺菌并不是特別新鮮的事情，迄今為止，已經(jīng)有近百年的歷史。早在1903年，Niels Ryberg Finsen利用紫外線實現(xiàn)治療皮膚病，發(fā)表相關專著，并獲得了諾貝爾生理和醫(yī)學獎，歷史已久。

紫外線之所以能夠?qū)崿F(xiàn)高效的殺滅病毒病菌，主要是從根本上通過破壞DNA來滅菌。因為紫外線的光子能量非常高，可以破壞細菌病毒的DNA鏈條，而從根源上來殺滅細菌、病毒。

不同波段紫外線對于細菌，病毒的殺滅效果是有差別的。傳統(tǒng)用的紫外汞燈可能是253.7或者254納米的，實際上最有效的波段可能不止是在254納米。根據(jù)目前最新的研究結(jié)果，在264納米附近，紫外線的殺菌效果可能會更高。

基于這個原理，可以說紫外線具有廣譜殺菌的特點，不管是細菌類、病毒類還是水藻類，孢子類等各種微生物，殺滅效果都是非常顯著的，效率非常高。相比于其他殺菌方式，紫外線殺菌有一個好處就是照完之后，關掉紫外線就沒有了，沒有化學過程的參與和污染。

紫外線如果要實現(xiàn)有效的殺菌消毒，需要足夠的能量，包括要足夠的照射強度和足夠的時間，同時需要合適的波段。根據(jù)波長，從長到短，紫外波段分為UVA、UVB和UVC，其中UVC是波長最短，能量最高的一個波段，我們經(jīng)常稱其為深紫外波段。實際上，對于殺菌消毒，真正最有效的就是UVC。

不管是UVA還是UVC這些波段，都可以使用半導體材料來實現(xiàn)相應的紫外發(fā)光。

二、紫外LED光源的優(yōu)勢

傳統(tǒng)紫外光源有低壓/中壓汞燈、微波無極汞燈等。新型紫外光源，主要是基于寬禁帶半導體材料，相比傳統(tǒng)光源，是一種冷光源，也是紫外光源一種未來發(fā)展趨勢。

通過調(diào)節(jié)AlGaN材料中的AI組分，可以實現(xiàn)LED發(fā)光波長在200-365nm之間任意可調(diào)，覆蓋了UV-A至UV-C的廣闊波段。相比傳統(tǒng)汞燈的紫外光源，這是AlGaN半導體材料做紫外LED光源的優(yōu)勢。

相比于傳統(tǒng)紫外光源，AlGaN基紫外LED還具有小巧便攜、環(huán)保安全、易于設計等優(yōu)點?？梢詫崿F(xiàn)各種各樣的一些光源設計。

此外，紫外LED最重要的優(yōu)點是不采用汞材料，無汞環(huán)保。根據(jù)水俁公約，從2020年起，締約國禁止生產(chǎn)及出口含汞產(chǎn)品。當然不會一下子取締汞燈，目前紫外LED在發(fā)光效率等方面還無法完全取代汞燈。但是長遠來看，隨著紫外LED的性能逐步提升，未來它的發(fā)光效率有望超過汞燈。從環(huán)保角度，逐步推廣使用紫外LED應該是大勢所趨。

三、紫外LED應用范圍廣泛

紫外LED對于各種各樣的病菌、病毒，包括新型冠狀病毒都可以實現(xiàn)高效的殺滅。這種殺菌功能應用范圍非常廣，日常生活的各個方面都可以用上它，比如飲用水，要保證無菌，無毒的健康安全。高鐵、飛機、火車站等公共環(huán)境里，希望空氣更加衛(wèi)生、安全，這些場景里，殺菌是可以發(fā)揮作用的。

除此之外，還有很多的場景都可以用到這種紫外殺菌消毒，用來給我們提供安全衛(wèi)生的環(huán)境，包括醫(yī)院、污水處理廠、食品廠、奶制品廠、釀酒廠、飲料廠等各個環(huán)節(jié)里，應用環(huán)境非常廣泛。

紫外LED的個頭非常小巧，可以催生出一些不同于傳統(tǒng)汞燈的應用需求。比如目前已經(jīng)出現(xiàn)的便攜式的電子消毒產(chǎn)品、電梯扶手殺菌機、掃地機器人等。這是傳統(tǒng)紫外光源很難應用的地方，恰恰是紫外LED可以帶來的增量新興市場,這些增量市場很可能遠大于其他傳統(tǒng)應用市場。

實際上，紫外光源的應用遠不止殺菌消毒一方面。在其他很多領域，包括生化探測、殺菌醫(yī)療、聚合物固化及工業(yè)光催化等諸多領域有著廣闊的應用前景。

紫外LED的前景，從我個人的角度非常樂觀。未來紫外LED，從家居到工業(yè)，方方面面都可能用得到。未來有可能催生出不同于照明的新興萬億產(chǎn)業(yè)。

四、深紫外LED外延芯片技術(shù)現(xiàn)狀與難點

紫外LED的前景非常光明，不過技術(shù)狀態(tài)有待提升。目前，UVA LED已比較成熟，EQE可達到50-60%，未來更多工作聚焦于應用系統(tǒng)層面的開發(fā)。UVB和UVC波段深紫外LED的外量子效率還比較低，EQE普遍在10%以下，商業(yè)化產(chǎn)品基本在1%~3%。

所以如果要講紫外LED，需要明確說清楚是UVA的近紫外，還是UVB、UVC的深紫外，這兩種產(chǎn)品形態(tài)對應的應用差別是非常大的。深紫外LED產(chǎn)品，目前基本上轉(zhuǎn)換效率都是在1%~3%，比較低。

之所以紫外LED量子效率低，從根本上來說是材料限制了發(fā)光效率，主要因素包括外延材料質(zhì)量差、電注入效率低，光提取效率低等。從材料入手是解決深紫外LED 問題的根本。

五、深紫外LED外延芯片研究進展

紫外LED材料跟襯底密切相關。目前藍寶石襯底材料是最常用的，如何把位錯密度降下來，是做材料或者是做外延的一個核心問題。目前國內(nèi)外都在研究和探討各種各樣的方法，希望能有效的降低材料里的缺陷和位錯密度。

個人認為其中最重要的一項就是納米圖形藍寶石襯底(NPSS)技術(shù)，重要之處在于兩個方面，一是通過這種方法，可以降低材料的位錯密度，提高材料質(zhì)量，同時有助于緩解應力等問題。另一方面，這種技術(shù)對于紫外LED出光效率低的問題也有很大改善。

綜合來看，納米圖形藍寶石襯底(NPSS)技術(shù)可以從材料到出光各個方面來改善，對紫外LED的性能有很大的提升作用，未來我覺得會成為產(chǎn)業(yè)的一個主流技術(shù)。

AlN外延中溫插入層技術(shù)，是探索性的一個方法，具有釋放應力、阻擋位錯的作用。

對于AlGaN材料，P型摻雜也是難題，對于這個問題，也有很多的方法探討， 個人角度比較看好pAlGaN極化摻雜技術(shù)對于紫外光源的應用。

深紫外LED的高鋁組分材料帶來了一系列的問題，從量子阱等結(jié)構(gòu)設計上改善或者提升量子效率，芯片層面提高光提取效率，出光效率，是我們很重要的一部分研究工作。

以上這些方法，實際上不只是通過實驗室研究，相信可以應用到產(chǎn)業(yè)化中。

目前也在探索把納米技術(shù)或者說微納技術(shù)應用到紫外LED中。

相信未來三到五年時間，紫外LED的電光轉(zhuǎn)換效率應該會提升到超過15%，乃至達到20%以上?？梢赃_到和汞燈相比擬的程度。要實現(xiàn)這個目標，不僅要材料提升，也需要包括芯片層面，比如透明電極、熱管理、封裝技術(shù)等各個方面技術(shù)的采用。

總體上，紫外LED的技術(shù)研發(fā)在過去兩三年之內(nèi)，因為受到越來越多的關注，研發(fā)進展比較快。隨著更多的人加入紫外LED的研究或者產(chǎn)業(yè)當中，相信未來紫外LED技術(shù)將是加速進步的狀態(tài)。

劉、聯(lián)盟積極布局推動紫外LED標準化體系建設

Q&A：現(xiàn)有紫外殺菌燈國標GB/T 19258-2012《紫外線殺菌燈》，但該標準只針對傳統(tǒng)光源，請問紫外LED光源是否有相關的國內(nèi)外產(chǎn)品標準、要求呢?

閆建昌：這是個好問題，現(xiàn)有的紫外標準都是基于傳統(tǒng)汞燈的，目前紫外LED光源迫切需要從測試到應用的一系列標準。目前從行業(yè)角度，已經(jīng)依托國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)成立了紫外專委會，推動紫外標準制定的一系列工作，也期待大家一起獻策獻力。

國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標委會副秘書長高偉：隨著技術(shù)進步、學科交叉、應用融合，不斷催生新的應用領域，標準需要不斷完善。與傳統(tǒng)紫外汞燈相比，紫外LED環(huán)保無污染，應用前景廣泛。

在深紫外殺菌消毒方面，標準化面臨著一系列的挑戰(zhàn)，如紫外汞燈殺菌主要在253.7nm，而UVC LED波長主要分布在280nm，這為后續(xù)應用解決方案帶來了一系列差異。

為填補標準化空白領域，聯(lián)盟標準化委員會發(fā)揮團體標準快速響應市場需求的優(yōu)勢，開展了對計量、標準、檢測等方面的調(diào)研，積極布局標準化體系，編寫了《紫外LED標準化體系報告》，啟動了《紫外LED技術(shù)與應用 術(shù)語和定義》、《紫外LED殺菌消毒技術(shù)報告》，未來將逐步構(gòu)建匹配UVC LED規(guī)模市場的新的標準化體系。

2014年6月，國務院參事室和國標委領導調(diào)研CSA標準化工作時，國家標準委總工程師殷明漢表示，CSA是聯(lián)盟標準化工作的“鮮活樣本”;

2015年6月，CSA獲批國家標準委首批團體標準試點單位;

2016年4月，CSA獲批“中關村國家自主創(chuàng)新示范區(qū)標準化試點示范單位”;

2016年10月，T/CSA 016獲得2016年“中國標準創(chuàng)新貢獻獎”二等獎，是第一個獲得該獎項的團體標準;

2017年6月，CSA獲批質(zhì)檢總局、科技部、國標委“首批科技成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)標準試點工作”單位;

2020年1月，CSA作為聯(lián)合協(xié)作單位，與牽頭單位中科院半導體所等其他9家單位共獲2019年度 “國家科學技術(shù)進步獎”一等獎，此項殊榮高度肯定了CSA聯(lián)盟團體標準化工作對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的貢獻。